新污染物具有來源廣泛、生物毒性隱蔽、環境持久性和生物累積性等特征。了解其在環境中的賦存特征、轉化行為和健康效應是科學監測和有效治理新污染物的關鍵。二甲雙胍因療效好、價格低、無毒副作用等優勢已成為治療2型糖尿病的一線藥物，其在多囊卵巢綜合征、癌癥、肥胖、炎癥和衰老等方面也具有良好療效，因此被稱為“神藥”、“萬能藥”。值得注意的是，該藥物被攝入后并不能被人體代謝，幾乎100%未經修飾地隨著尿液和糞便排出體外，導致其在全球水環境中廣泛存在。二甲雙胍因其具備導致生物的形貌改變、內分泌紊亂和基因異常表達等毒性效應，因此它當前被認定為一種新污染物。
近日，西湖大學工學院鞠峰團隊系統地總結了二甲雙胍藥物在全球水環境中的賦存特征、環境轉化和產物風險，并評估了其對水體中人用藥物污染的指示能力。該綜述論文以“Metformin Contamination in Global Waters: Biotic and Abiotic Transformation, Byproduct Generation and Toxicity, and Evaluation as a Pharmaceutical Indicator”為題發表在環境領域國際知名期刊《Environmental Science & Technology》，博士研究生賀圓珍為第一作者，課題組負責人鞠峰特聘研究員為通訊作者，西湖大學工學院特聘研究員張巖巖為共同作者。本研究得到了國家自然科學青年基金和西湖教育基金的資助。
二甲雙胍在環境遷移中會發生生物和化學轉化。以往的綜述主要總結了不同處理方法對二甲雙胍的去除效率，而忽略了二甲雙胍在環境中的轉化過程、產物形成以及轉化是否會降低生態風險。另外，鑒于人用藥物在水環境中不斷涌現，對其進行徹底的監測是不現實的，因此化學指示劑被提出用于跟蹤藥物的污染。因其滿足生活污水來源，水環境中持續存在和易于分析檢測等化學指示劑的特征，二甲雙胍具有作為人用藥物污染指標劑的潛力。
為了全面地認識二甲雙胍及其轉化產物的環境行為和健康效應，并探究其對水環境中藥物污染的指示能力，研究團隊首先對全球水環境中的二甲雙胍污染進行了簡要概括，隨后系統地總結了二甲雙胍轉化產物的形成路徑、賦存特征和毒性風險，最后，基于全球數據評估了二甲雙胍在不同水系統中作為藥物污染指示劑的適用性。本綜述豐富了二甲雙胍在全球水環境中遷移轉化的認知，并針對其在環境行為、轉化產物和健康風險等方面提供了未來研究方向。
圖1. 全球水系統中二甲雙胍的賦存：（A）各種水系統中檢出二甲雙胍的比例及濃度范圍；（B）各大洲檢出二甲雙胍的文章數量及在水環境中的平均檢出頻率，括號內數字代表在各大洲檢出二甲雙胍的國家數量。
全球數據分析表明，二甲雙胍已在全球91個國家的污水、地表水、雨水、地下水和飲用水中檢出，濃度從0.2 ng/L到1.18 mg/L（圖1），且濃度水平隨二甲雙胍的消費量還在不斷攀升；還發現其在全球水系的分布格局受社會經濟的影響，尤其是在中等收入國家污染程度顯著高于低收入和高收入國家。鑒于當前二甲雙胍的研究大多集中在中國、美國和德國，建議未來應對中等收入國家和前期研究較少區域加大監測與研究力度。
圖2. 二甲雙胍在污水生物反應器（A）、高級氧化過程（B）、自然水體（C）和氯化消毒過程（D）中的降解轉化和產物形成過程。
二甲雙胍在水環境中可通過微生物降解、高級氧化、自然衰減、氯化消毒等生物和非生物途徑進行轉化（圖2），但這些過程無法將二甲雙胍完全去除（1%-97%）和礦化（<20%），目前已有32種不同結構的轉化產物被鑒定。課題組前期研究表明，部分轉化產物已在污水和地表水體中檢出或有響應信號（He et al., 2022），且生物體測試和風險評估結果表明這些產物的毒性和健康風險都較二甲雙胍顯著增強（Zhang et al., 2021; He et al., 2022）。但因大部分轉化產物缺乏可用于定量的化學品，其環境濃度、生物體毒性、聯合毒性及長期暴露風險還有待進一步探究。
圖3. 二甲雙胍或咖啡因與污水廠進水（A和B）和地表水（C和D）中剩余藥物濃度總和（∑Phs）的相關性分析。統計分析的樣品數量：進水69個、污水廠出水38個、雨水50個、地表水817個。
基于當前全球污水廠進水、污水廠出水、雨水、地表水的監測大數據分析與論證（圖3），提出二甲雙胍可作為區域和國家范圍內水環境中人用藥物污染的可靠指標，其指示能力可替代或優于咖啡因、三氯蔗糖和卡馬西平等傳統指示劑；還提出可基于二甲雙胍監測數據預測人用藥物的污染水平。
課題組前期研究已發表相關論文：
He YZ, Ju F* et al. 2022. Prevalence, production, and ecotoxicity of chlorination-derived metformin byproducts in Chinese urban water systems. Science of The Total Environment, 816, 151665.
Zhang RS#, He YZ#, Yao LX#, Ju F*, Wu LF* et al. 2021. Metformin chlorination byproducts in drinking water exhibit marked toxicities of a potential health concern. Environment International, 146, 106244. (# equal contribution)
總 結
本綜述從環境轉化和產物形成的角度拓展了對二甲雙胍的環境行為和毒性效應的認知。同時通過對全球數據統計分析，論證了這一糖尿病藥物對人用藥物污染的可靠指示能力，可用于預測水環境中未監測人用藥物的污染狀況。另外，隨著二甲雙胍污染程度的不斷增強和其環境轉化風險的長期暴露，為保障飲用水安全及生態和人類健康，本文從環境監測、去除轉化、產物鑒定、毒性效應、健康風險和藥物污染指示等方面提出了二甲雙胍作為環境新污染物的未來研究方向。
關注微信
